電容基礎(chǔ)知識和選用規(guī)則

電容基礎(chǔ)知識和選用規(guī)則第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月可靠性設(shè)計的目的可靠性設(shè)計是為了在設(shè)計、生產(chǎn)、使用過程中挖掘和確定隱患，并采取設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進(jìn)措施，有效地消除隱患。從而形成產(chǎn)品的固有可靠性。產(chǎn)品可靠性的三個階段：設(shè)計階段、生產(chǎn)制造和使用過程。第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月電容知識和選用規(guī)則一、電容分類二、電容器器件簡介三、工作區(qū)、產(chǎn)品額定工作點的定義四、規(guī)則五、電容器器件選擇要點第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電容分類非固體鋁電解電容器固體鉭電解電容器金屬化薄膜電容器

一般的金屬化薄膜電容器安規(guī)電容陶瓷電容器

I類瓷介電容器（NP0、SL）

II類瓷介電容器

III型介質(zhì)陶瓷電容器磁性瓷陶瓷電容器第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電容器器件簡介1.非固體鋁電解電容器介紹非固體鋁電解電容器的工作介質(zhì)是在金屬鋁極箔表面用電解法生成的一層金屬氧化物──三氧化二鋁（Al2O3），之所以稱為非固體，是因為鋁電容器的負(fù)極是由液體（也稱作電解液）充當(dāng)?shù)?。鋁電解電容器的結(jié)構(gòu)圖如下：第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁電解電容器在電路中主要起濾波、隔直、穩(wěn)壓的作用，實際制造出來的電容器在電路中使用時并不是理想的元件，含有ESR和ESL，其等效電路圖如下：ESR的存在是電容器工作時發(fā)熱的最主要原因，它不但決定了流過電容器的紋波電流的大小，更是影響電容器實際使用壽命的重要因素。鋁電解電容器的芯子是卷繞而成的，所以有ESL的存在，它決定了鋁電解電容器工作頻率不能太高，否則就沒有濾波效果，鋁電解的工作頻率一般在幾十Hz~~100KHz。鋁電解電容器是有極性的，在應(yīng)用時絕不能反接。1.非固體鋁電解電容器介紹第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.非固體鋁電解電容器介紹

相對于其它阻容器件來講，鋁電解電容器因含有液體作負(fù)極材料，所以失效率相對較高，且有嚴(yán)格的壽命要求，這在設(shè)計選型時需考慮。鋁電解常見的失效模式有：短路，開路，電參數(shù)性能劣化，防爆閥開裂，漏液。從鋁電解電容器應(yīng)用過程中的失效原因看，主要有以下三種：◆電應(yīng)力引起的失效；◆熱應(yīng)力引起的失效；◆機械應(yīng)力引起的失效；第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2、固體鉭電容器鉭電容器是以鉭金屬作陽極，鉭金屬氧化物（Ta2O5）作介質(zhì)，以MnO2或?qū)щ娋酆衔镒麝帢O的電容器。固體鉭電容器的制造工序是：先將金屬鉭粉壓制成型，通過高溫?zé)Y(jié)制成陽極體，將陽極體通過陽極氧化工藝形成Ta2O5介質(zhì)，再經(jīng)過被覆工藝引出MnO2陰極，裹石墨、銀漿料，最后包封環(huán)氧樹酯。鉭電容器是目前世界上比容最大的電容器。第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

高的工作電壓直接擊穿Ta2O5介質(zhì)，導(dǎo)致短路失效；高的環(huán)境溫度導(dǎo)致電容器失效，紋波電流是發(fā)熱的根本原因，必須限制；較高的工作電壓，較高的環(huán)境溫度的雙重作用，造成局部Ta2O5介質(zhì)膜晶化，導(dǎo)致?lián)舸?。反向電壓直接破壞Ta2O5介質(zhì)，導(dǎo)致電容器失效過大的沖擊電流，使鉭電容器喪失自愈能力，導(dǎo)致開，關(guān)機過程鉭電容器失效。因此，選擇工作電壓，反向電壓，殼溫，紋波電流，沖擊電流作為降額考核點。2、固體鉭電容器第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3、金屬化薄膜電容器薄膜電容器是以紙，塑料等薄膜材料作絕緣介質(zhì)的一類電容器。金屬化薄膜電容器是直接在聚酯膜，聚丙烯等薄膜材料上蒸鍍金屬作為電極而制成。金屬化薄膜電容器的特點是損耗低，溫度特性，高頻特性好，自愈能力強。常用的薄膜材料有聚酯膜，聚丙烯膜等。表貼電容器采用耐溫更高的聚苯硫醚薄膜。第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3、金屬化薄膜電容器①過高的環(huán)境溫度，直接破壞電容器介質(zhì)膜；②長期的高溫環(huán)境，加速薄膜材料的老化，使器件絕緣，耐壓能力下降。③高紋波電流引起的發(fā)熱，對電容器造成同樣的破壞。因此，選擇工作電壓，環(huán)境溫度，紋波電流作為降額考核點。第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、陶瓷電容器陶瓷電容器是以陶瓷材料作介質(zhì)的電容器,特性主要取決于介質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)。按介質(zhì)材料特性可分為I型介質(zhì)，II型介質(zhì)，III型介質(zhì)，磁性瓷等，常用的是I型介質(zhì)、II型介質(zhì)陶瓷電容器。I類瓷介電容器（NP0、SL）的主要特點是介質(zhì)損耗低，電容量對溫度，頻率，電壓和時間的穩(wěn)定性高。II類瓷介電容器（X7R、X5R、Y5U）是一種具有高介電常數(shù)的電容器，此類電容器的主要特點是體積小，容量大，但損耗角正切值較大，容量對溫度，頻率，電壓和時間的穩(wěn)定性比較差。從結(jié)構(gòu)上可分為單層陶瓷(引線式瓷介電容器)和多層陶瓷(引線式獨石電容器，片狀多層陶瓷電容器)。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、陶瓷電容器陶瓷電容器常見失效模式：電致開裂、熱致開裂、機械應(yīng)力產(chǎn)生裂紋等。常見故障現(xiàn)象為絕緣電阻下降而漏導(dǎo)電流上升直至擊穿。綜合上述情況，電壓、溫度降額使用是提高電容器工作可靠性和壽命的重要手段。因此選取工作電壓V、殼溫TC為陶瓷電容器的降額考核點。第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)和額定工作點的定義

第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.穩(wěn)態(tài)工作區(qū)當(dāng)電源類產(chǎn)品在正常工作時，應(yīng)滿足產(chǎn)品手冊規(guī)定的如下條件：（a）按產(chǎn)品手冊規(guī)定進(jìn)行裝配。（b）輸出電壓在產(chǎn)品手冊規(guī)定變化范圍內(nèi)，輸出功率在額定最小值到最大值間。（c）輸入在產(chǎn)品手冊規(guī)定的電壓和頻率范圍內(nèi)。（d）各種環(huán)境條件如溫度和濕度等，在產(chǎn)品手冊規(guī)定的范圍內(nèi)。第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖中陰影之外的部分均表示電源工作在非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)（“暫態(tài)”工作區(qū)），非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)是產(chǎn)品短時間過渡工作的區(qū)域，例如開機啟動、輸入欠壓、OCP過流保護(hù)、OVP過壓保護(hù)、電源負(fù)載跳變（如空載到滿載，空載到短路，半載到滿載等等）、輸入跳變等。電源風(fēng)扇停轉(zhuǎn)之后，如有器件仍在工作，則也必須對器件應(yīng)力考核點加以考慮測試（尤其是發(fā)熱元件可能出現(xiàn)的最高溫度），該情況亦規(guī)定為電源工作在非穩(wěn)態(tài)區(qū)?？梢赃@樣理解：非穩(wěn)態(tài)區(qū)雖然是電源工作時也將碰到的情況，但非穩(wěn)態(tài)區(qū)里面的點對應(yīng)的則是器件短暫時間工作的點。2.非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)由于電源工作在非穩(wěn)態(tài)區(qū)的時間一般來說很短，因此在此情況下器件的降額百分比不如穩(wěn)態(tài)區(qū)嚴(yán)格。但必須注意，實際情況中非穩(wěn)態(tài)區(qū)的器件應(yīng)力往往比穩(wěn)態(tài)區(qū)大得多，如果實際設(shè)計時疏忽了此區(qū)域的降額，則很有可能導(dǎo)致?lián)p壞（例如在開機、輸出短路等情況下的損壞，等等）。第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.額定工作點產(chǎn)品規(guī)格書中所規(guī)定的產(chǎn)品標(biāo)稱典型工作條件的組合主要是輸入電壓、負(fù)載、工作環(huán)境溫度等）。若產(chǎn)品規(guī)格書未指明典型工作條件，則以標(biāo)稱工作范圍的最大值代替。產(chǎn)品額定工作點屬于產(chǎn)品的穩(wěn)態(tài)工作區(qū)，產(chǎn)品額定工作點基本上代表了產(chǎn)品在市場上的典型運行情況，因此在產(chǎn)品額定工作點下，對于某些器件來講，為了保證其低失效率，在該點下的降額比“穩(wěn)態(tài)工作區(qū)最壞情況”的降額要求更加嚴(yán)格。第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、規(guī)則當(dāng)討論產(chǎn)品在不同環(huán)境下的使用壽命時，一般采用“10規(guī)則”的表達(dá)方式。即當(dāng)周圍環(huán)境上升時，產(chǎn)品壽命就會減少一半，當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升20時，產(chǎn)品壽命就會減少到1/4.這種規(guī)則可說明溫度是如何影響產(chǎn)品的壽命的。第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、規(guī)則電容器的估計壽命用下述公式表示：其中，表示最高工作溫度下的壽命，Tmax表示最高工作溫度，Ta表示實際環(huán)境溫度。由此可見，如果環(huán)境溫度每升高10，電容器壽命將下降一半！第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、電容器器件選擇要點電容器的使用和選擇1.電容器的壽命與溫度關(guān)系極大，因此控制電容器的溫度是設(shè)計人員重點考慮的。2.當(dāng)使用電壓（尤其是紋波電壓）過高時容易產(chǎn)生熱。3.高頻時鋁電解的電容量會急劇下降，當(dāng)電容在高頻工作時會發(fā)熱。4.濾波電路應(yīng)盡量采用鋁電解電容，如果需要使用鉭電容需注意限制沖擊電流。5.鉭電容的使用壽命遠(yuǎn)高于鋁電解電容，但最高電壓不高，要注意浪涌電壓的破壞。第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、電容器器件選擇要點降額使用一般來講，使用電容的額定電壓的50％，避免過壓對電容的傷害；熱設(shè)計在攝氏85度的環(huán)境下使用，建議在圖中所示的溫度數(shù)值范圍內(nèi)使用，如圖所示。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.非固體鋁電解電容器在穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)最壞應(yīng)力情況下，正向電壓（穩(wěn)態(tài)工作區(qū)），浪涌電壓（非穩(wěn)態(tài)工作區(qū)）降額必須滿足下表：第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固體鉭電解電容器在最壞的情況下，工作電壓V必須滿足下表：第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.金屬化薄膜電容器一般用途的薄膜電容器